水是生命之源，却也会泛滥成灾。CO2为人类发展起到重要作用，却终究成为全球气候变化的重要源头。2021年，我国正式提出，力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。“碳中和”，是国际社会的共识，是我国实现能源革命和产业升级的关键之举，也是体现人类命运共同体理念的重要措施。“碳达峰”，是指CO2排放总量达到峰值之后，不再继续增长；“碳中和”，是指通过自然吸收和技术革命等手段，使CO2排放和消除得到相对平衡，实现相对的“零排放”。从目前全球能源体系来看，完全不排放CO2不科学，也不可能。“碳中和”，并不是说绝对禁止“碳排放”，而是指通过不断减少CO2排放的同时，不断提高CO2转化利用，使CO2排放和消除得到相对平衡，实现相对的“零排放”。从人类历史来看，能源技术的发展，始终推动着社会的进步。当今世界，化石能源占据主角地位，而CO2的排放，主要来自于化石能源的低效利用。实现碳达峰和碳中和，能源技术的革新和能源产业的升级是关键之一。我们需要从能源技术的全生命周期，从科学的角度来看待碳中和的问题。一方面，我国“富煤，少油，贫气”的现状，决定了煤化工的低碳、绿色、高效利用，是能源技术突破的重点。另一方面，可再生能源技术的发展，尤其是颠覆性技术的革新，有望推动新的技术革命。我国是煤炭大国，长期以来，我国煤化工的升级主要包括2个方面：一是煤制油品或大宗化学品，二是煤制氢。煤制氢，具有天然的成本和技术优势。发展煤制氢技术的初衷，是为了减少CO2排放。然而，煤制备1kg氢气，大约产生11 kg CO2，从煤制氢全生命周期来看，只是将排放由末端转移到前端，并没有减少。相比而言，煤制化学品显得更加低碳。中科院大连化物所在煤化工技术创新和产业化应用方面，取得了不少成就。刘中民院士负责开发的甲醇制取低碳烯烃（DMTO）成套工业化技术，开辟了以非石油资源生产低碳烯烃的新路线，实现了世界上煤制烯烃工业化零的突破。煤经合成气直接制低碳烯烃技术路线，突破了9０多年来煤化工领域高水耗、高能耗的水煤气变换模式，并于2019年9月完成国际首套千吨级工业中试。然而，煤制化学品对碳原子的利用率也不够高，至少有一半以上的碳原子变成CO2排放。因此，在当前形势下，我国煤化工的升级不能单纯局限于煤制油品或大宗化学品，也不能单纯局限于煤制氢。煤化工的碳排放属性是过程排放，而非煤炭燃烧排放，必须加强煤化工与可再生能源结合，通过石油化工、可再生能源与煤化工过程结合，把所有的碳原子都经济地转化为产品，实现零碳排放。地球表面的太阳能，是当前全球总能源消耗的9600倍。人类从未停止过，对太阳能的追逐！当今世界的发展离不开化石燃料，而“液态阳光”将可能成就未来世界。“液态阳光”源于丰富的阳光、二氧化碳和水，属于可再生绿色液态燃料。在当前时代背景下，液态阳光可能是解决全球温室效应问题的关键。一方面，通过光伏发电，可以有效地将光能转换为电能，减少煤炭发电的碳排放。另一方面，模仿植物进行人工光合作用，可以有效地将CO2转化为高价值化学品。太阳能的高效利用，对于碳中和的意义，不言而喻。钙钛矿的出现，为光伏技术带来了新的希望。钙钛矿太阳能电池和模组结合了高效率和低成本可加工性，这对钙钛矿的加工成型和集成无疑是一个巨大优势。而且所采用的材料相对易得，成本较低。此外，钙钛矿太阳能电池模组可以是刚性或柔性的，也可以是不透明的或半透明的，这允许其在各种场景应用。可以想到集成在窗户、屋面瓦、外墙、道路、隔音板、汽车顶棚中的钙钛矿太阳能模组。同时，这些钙钛矿太阳能模组可以在任何接受光的表面上无缝集成，具有很高的社会接受度。自2009年以来，钙钛矿太阳能电池已经走过了12年。从最初的星星之火到如今的燎原之势，发展不可谓不迅猛。目前，科学家对钙钛矿太阳能电池的应用研究，主要集中于产业化发展，具体包括三个方面：1）更高的效率；2）更稳定的性能；3）更适合产业化的制造工艺。2021年，韩国蔚山国立科学技术学院(UNIST)Jin Young Kim, 瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Anders Hagfeldt和Michael Grätzel, 韩国能源研究所(KIER)Dong Suk Kim等人介绍了一种阴离子工程概念。使用赝卤化物阴离子甲酸根(HCOO-)来抑制存在于晶界和钙钛矿薄膜表面的阴离子空位缺陷，并提高薄膜的结晶度。所得的太阳能电池器件的功率转换效率为25.6％(经认证为25.2％)2020年，欧洲薄膜太阳能电池研究联盟Solliance，TNO，imec和埃因霍温科技大学报道了采用工业工艺制造的封装钙钛矿太阳能电池模组，该模组经受了三个既定的寿命测试，即耐光性测试，耐湿热测试和热循环测试。这是有史以来第一次通过研究机构制备的钙钛矿太阳能电池组件实现这一目标。钙钛矿太阳能模组是使用工业工艺（溅射镀膜，狭缝涂布镀膜，原子层沉积和基于激光的互连），在6x6英寸（207.36 cm2）玻璃基底上制备的，并且采用玻璃/玻璃封装了模组。这些模块的有效面积为100 cm2。模组的初始效率超过10％。稳定性测试包括以等于一个太阳的强度连续照明1,000 h（光浸泡测试）；在高湿度（相对湿度为85％）下暴露1,000 h，并在85 oC温度下暴露（潮湿测试）；从–40 oC到85 oC的50个热循环（热循环测试）。在光浸泡测试期间，模组性能在前100 h内有所提高，此后性能趋于稳定。经过湿热测试后，钙钛矿组件的性能保持了其初始性能的95％。热循环测试没有造成任何效率损失，这表明加工后的模组具有出色的稳定性，并且能够承受这些恶劣条件的封装策略。钙钛矿太阳能模组小面积器件的记录效率已经超过25％。此外，由堆叠在常规CIGS或者硅太阳能电池顶部的半透明钙钛矿太阳能模块可以将整体效率提高到新的记录值。这些令人鼓舞的结果使钙钛矿薄膜光伏技术不断接近离商业化和大规模应用。虽然，夺取硅基太阳能电池的霸主之位，拯救光伏产业的临门一脚，迟迟未能实现。但是，我们相信，未来已来。光伏技术，使得太阳光转变为电能得以实现应用。但是，如何将太阳能储存在化学键中，还未达到实际应用的要求。天然碳循环主要受光合作用控制，绿色植被利用太阳能将CO2和水转化为碳氢化合物和氧气。因此，太阳能驱动的将二氧化碳减少为燃料和化学物质是促进碳循环以实现可持续的碳中和社会的一种有前途的方式。通过模拟自然过程中的人工光合作用，科学家正在尝试构建高度集成的仿生人工光光合作用系统，直接利用太阳光将CO2和水变成高价值化学品。2015年，加州大学伯克利分校杨培东教授通过半导体纳米线结构，构建了首个人工光合作用全集成系统。2016年，杨培东团队基于细菌-半导体纳米颗粒，构建了一种生物-无机的复合杂化体系，这个仿生人工光合系统可以捕获光能，并得到一种呼吸产生的天然“副产物”乙酸[3]。同样是2016年，哈佛大学DanielG. Nocera等人开发了一种基于重组菌（Ralstonia eutropha）和Co-P合金的新型人工光合作用系统，在生产细菌生物质和液体醇燃料时，该系统的CO2还原能量效率约为50%，每1 KWh电量可消耗掉180 g CO2[4]。将该系统用于现有的太阳能光伏器件中，其CO2还原能量效率最高可达约10%，比自然界植物光合作用提高了近一个数量级！2021年，日本丰田中央研究与开发实验室有限公司的Naohiko Kato研究团队报道了一个可将CO2转化为甲酸的大型太阳能电池。使用有效面积为1 cm2的整体式平板状设备（A型）产生的甲酸盐生产hSTC为4.6％。在整个能源体系中，化石能源、太阳能、地球热量是大规模能量，人所共知。但是还有一些能源，往往被人们所忽视：比如人体运动，步行，雨滴下落、海浪等等。在当今时代，物联网、传感网络、大数据时代的分布式移动式能源需求，收集这些低频的机械能以提供日常用电解决方案，显得愈发重要。2006年，王中林发明纳米发电机，开启了纳米能源领域的全新篇章，也推动了蓝色能源的新征程。纳米发电机的原理是利用压电效应所产生的电场来驱动外电路中电子的流动，是利用麦克斯韦位移流有效地将机械能转换为电能或电信号的领域。纳米发电机的问世完全打破了人们对“发电机”尺寸的认识极限，让能源系统实现微型化成为可能，是人类对能源获取方式的新的认识和探索。2011年，王中林首次提出摩擦纳米发电机原理，不仅具有完全不同的发电原理和工作模式，更在以下方面产生了革命性的突破：1）输出功率密度可达313W/m2，能量转换效率高达50%；2）取材突破了压电性和纳米尺度的限制，各种聚合物、天然高分子材料、甚至是木头、纸张都可能成为摩擦纳米发电机的原料；3）极简的结构更易于规模化生产。2020年，香港城市大学的王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授，以及王中林院士等人合作，开发了一种新型液滴发电机，使得传统方案中水滴机械能转化为电能的功率得到3个数量级的提高。仅仅一个100微升的水滴从15厘米的高度撞击到装置表面，可以产生超过140 V的电压、200 μA的电流，并且其最大功率可以达到50.1 W m-2，这些性能均比传统液滴发电机设计方案高几个数量级。据统计，全球约有20％的能耗用于制冷，到2040年，空调数量预计将翻一番。虽然，传统空调制冷器的性能得到很好的优化，但是基于蒸汽压缩的制冷系统目前存在严峻的能耗和环境问题。目前，占据主导地位的空调制冷技术是基于温室气体的交替压缩和膨胀循环来实现。1 kg典型的制冷剂对地球大气温室效应的贡献相当于两吨二氧化碳，相当于一辆汽车连续运行6个月。因此，开发绿色低碳的新型制冷技术，势在必行。长期以来，科学家已经相继开发除了多种新型的制冷技术，包括电热制冷、辐射制冷、磁场制冷、压力制冷却、单轴应力制冷等等。其中，电热制冷技术和辐射制冷技术就是其中的佼佼者。热电制冷技术的原理是基于热电效应，通过对固体热电材料施加或者移除电场，可以分别提高或者降低材料温度。由于不用加入对环境有害/易燃冷却剂，制冷效率高，热电制冷技术正成为一种极具吸引力的制冷技术，有望用于空调、电冰箱、微型电子器件等诸多领域。当然，热电制冷技术之所以还没能取代目前的传统制冷技术，也是因为还有一些关键问题悬而未决，其中就包括以下2个关键挑战：1）寻找更合适的热电材料。既要保证优异的制冷效率，又要保证廉价易得。2）设计更合适的冷却系统。以确保更大的温度跨度和制冷效果。为此，全球科学家尝试了各种方法，并取得了大量突破性进展。2017年，加州大学洛杉矶分校裴启兵等人在柔性聚合物薄膜（碳管和聚合物复合：CNT–P(VDF-TrFE-CFE)–CNT–P(VDF-TrFE-CFE)–CNT）上进行电致冷却，实现了29.7 mW cm-2冷却性能，冷却功率达到2.8 W/g，性能系数（COF）达到13[10]。2020年，打印机领域的龙头施乐公司（Xerox）Yunda Wang、David Schwartz等人基于PbSc0.5Ta0.5O3多层结构热电陶瓷电容器，实现了5.2 ℃系统温差，最高达到135 mW cm-2的热流密度，该系统的热流密度是目前陶瓷多层电容器基热电冷却系统中效果最好的结果，是之前报道的29.7mW cm-2的~4.5倍（2.8 ℃温差）[11]。同样是在2020年，卢森堡科学技术学院A. Torelló、E. Defay等人报道了一种基于钽钪酸铅（Pb(Sc,Ta)O3）陶瓷多层电容器（其一级相变过程中变化剧烈）的热电冷却体系，通过有限元建模进行指导模型构建、改进隔离层，实现了13K的最高温度差。该温度差打破了关键参数障碍，验证了热电冷却系统有望在未来的冷却系统中大放异彩[12]。辐射制冷(Radiative Cooling)是利用部分可以穿透大气层的特定波长电磁波，将物体的多余热量以红外辐射的形式永久地“扔”进宇宙的制冷方式。由于其不耗能、不费电的特点，尤其是近几年由于纳米光学和超材料的研究，实现了在白天太阳直射下仍能将物体降温，辐射制冷吸引了世界各国科研人员和社会有识人士的广泛关注。辐射制冷作为一种极有前途的地面建筑物无电制冷方式，在建筑节能和个人热管理智能织物方面，备受关注。自2014年斯坦福大学Shanhui Fan 课题组首次提出日间辐射制冷概念以来，辐射制冷技术得到了快速的发展，一批优秀的成果被相继报道。2018年，美国科罗拉多大学博尔德分校（杨荣贵和尹晓波教授团队）和怀俄明大学（谭刚教授团队）合作，发展了一种以水为工作介质的辐射制冷集冷模块，实现了第一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统，并提出了辐射制冷与建筑结合的24小时全天连续运行具体方案。
2021-08-10
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